WO2008059733A1

WO2008059733A1 - Simulateur solaire

Info

Publication number: WO2008059733A1
Application number: PCT/JP2007/071573
Authority: WO
Inventors: Sanekazu Igari
Original assignee: National Institute Of Advanced Industrial Science And Technology
Priority date: 2006-11-15
Filing date: 2007-11-06
Publication date: 2008-05-22
Also published as: US20100027236A1; US8016439B2; JP2008123951A; JP4982884B2

Description

明細書

ソーフシユレータ技術分野

[0001] 本発明は、ソーラパネル等の測定に用いられるソーラシミュレータに関する。

背景技術

[0002] 図 3は、従来技術に係るソーラシミュレータにおける光学構造を示す図である。

同図に示すように、通常、入射角 θ 1と出射角 Θ 2を等しく設計した均一照射用インテグレータ 4を用いて、不図示の光源からの光を光軸の近くに集めた後、コリメーションレンズ 5により収束させ、高平行度出射光を得ている。

ここで、コリメーシヨンレンズ 5から出射された光の平行度角 φは、 φ = atan (r/f) で近似できる。ただし、 rはインテグレータ 4の外接円半径、 fはコリメ一シヨンレンズ 5 の焦点距離である。

従来、このような構造においては、出射光束の平行度角を上げる（ φを小さくする）ために、コリメーシヨンレンズ 5の焦点距離 fを大きく取る方法が取られてきた。

特許文献 1 :特開 2002— 189192号公報

特許文献 2：特開 2002— 116501号公報

特許文献 3：特開 2001— 042432号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0003] しかしな力、図 3に示すような光学構造においては、インテグレータ 4の出射角 Θ 2を固定したまま、図 4に示すように、平行度角 φを上げるためにコリメ一シヨンレンズ 5の焦点距離 fを大きくしていくと、インテグレータ 4とコリメーシヨンレンズ 5間の距離も大きくなるため、インテグレータ 4からの出射光はコリメーシヨンレンズ 5の外まで大きく拡がる。つまり、インテグレータ 4から出射した光の大部分がコリメ一シヨンレンズ 5外に放散されてしまう。そのため、光エネルギーの損失が大きぐまた、コリメーシヨンレンズ 5から得られる平行光の照度も小さくなるという問題が生じていた。

本発明の目的は、出射光の高平行度化と出射光の高照度化の問題を同時に解決すると共に、出射光の均一度を上げることを可能にしたソーラシミュレータを提供することにある。

課題を解決するための手段

[0004] 本発明は、上記の課題を解決するために、下記の手段を採用した。

第 1の手段は、光源から放射された光をインテグレータに入射し、該インテグレータ力、ら出射された光をコリメーシヨンレンズに入射し、該コリメーシヨンレンズから平行光出射させるソーラシミュレータにおいて、前記インテグレータの外接円半径を r、前記平行光の平行度角を Φ、前記コリメーシヨンレンズの焦点距離を f = r/tan φとするとき、前記平行度角 φが 2. 5° 未満となるように前記焦点距離 fを選択し、前記インテグレータから出射される光の出射角を Θ、前記コリメーシヨンレンズの直径を D、前記インテグレータから見た前記コリメーシヨンレンズの見込み角度 Θ X = 2 X atan (D/ 2f)とするとき、前記出射角 Θを前記見込み角度 θ Xより小さくしたことを特徴とするソ一ラシミュレータである。

第 2の手段は、第 1の手段において、前記インテグレータは、一辺が 5mm以下の複数本の微小インテグレータの集合体で構成され、前記インテグレータの外接円半径 r 力 6mm以下であることを特徴とするソーラシミュレータである。

発明の効果

[0005] 請求項 1に記載の発明によれば、照射面において、高平行度化された高照度光が得られる。

請求項 2に記載の発明によれば、照射面において、高均一化された光が得られる。図面の簡単な説明

[0006] [図 1]本発明に係るソーラシミュレータの構成を示す図である。

[図 2]図 1に示したソーラシミュレータにおいて、出射光の平行度角及び照射面における照度を上げるために取られた光学構造を示す図である。

[図 3]従来技術に係るソーラシミュレータにおける光学構造を示す図である。

[図 4]従来技術に係るソーラシミュレータにおいて、出射光の平行度角を上げるために取られてきた標準的な光学構造を示す図である。符号の説明

[0007] 1 Xe (キセノン）ランプ

2 楕円鏡

4 インテグレータ

5 コリメーシヨンレンズ

6 照射面

7 照射面積

Θ 1 入射角

Θ 2 出射角

Θ Χ 見込み角度

Φ 平行度角

f 焦点距離

r 外接円半径

D 直径

発明を実施するための最良の形態

[0008] 本発明の一実施形態を図 1ないし図 4を用いて説明する。

図 1は、本実施形態の発明に係るソーラシミュレータの構成を示す図である。

同図に示すように、例えば、 300Wの Xe (キセノン)ランプ 1から出射された光は、楕円鏡 2によって反射され、 AM (エアマス）フィルター 3を介して小出射角の微小インテグレータの集合体からなるインテグレータ 4に入射される。インテグレータ 4から出射された光は長焦点距離を有するコリメーシヨンレンズ 5に入射され、高平行度光として出射される。出射された高平行光はソーラパネル等の照射面 6に高照度で照射される。

[0009] 図 2は、図 1に示したソーラシミュレータにおいて、出射光の平行度角を上げるために取られた光学構造を示す図である。

同図において、不図示の光源から放射された光はインテグレータ 4に入射され、ィンテグレータ 4から出射された光はコリメーシヨンレンズ 5に入射され、コリメーシヨンレンズ 5から平行光が出射される。ここで、インテグレータ 4の外接円半径を r、平行光の平行度角を φ、コリメーシヨンレンズ 5の焦点距離を f、インテグレータ 4とコリメーシヨンレンズ 5間の距離を L、インテグレータ 4の入射角を Θ 1、インテグレータ 4の出射角を Θ 2、コリメーシヨンレンズ 5の直径を D、インテグレータ 4から見たコリメーシヨンレンズ 5の見込み角度を θ Xとする。

[0010] 通常、インテグレータ 4は、正方形断面の微小インテグレータの集合体からなり、例えば、 5mm角の正方形の微小インテグレータの 3 X 3 = 9本の集合体で構成される。集合体の外形をできるだけ外接円に近づけるためには、各微小インテグレータの断面を正方形以外の多角形、例えば、正 6角形で構成するとよい。

[0011] インテグレータ 4から出射された光を、焦点距離 fのコリメーシヨンレンズ 5で収束させる場合、インテグレータ 4の外接円の半径 rが無限に 0に近い場合、インテグレータ 4とコリメーシヨンレンズ 5間の距離を焦点距離 fに等しく取れば、コリメーシヨンレンズ 5からの出射光は、球面収差 ·色収差等を無視すれば、完全な平行光となる。

[0012] しかし、実際のインテグレータ 4は、上述のごとぐ微小インテグレータの集合体で構成されるため、その外接円半径 rは有限の大きさを持っため、その円周上の光（微小インテグレータ個々の光）力コリメーシヨンレンズ 5通過後に光軸となす角度が誤差となって、完全な平行光とはならない。

つまり、コリメーシヨンレンズ 5の出射光の平行度角 φは、コリメーシヨンレンズ 5中心力、らインテグレータ 4を見たときの外接円半径 rの見込み角度で求められ、次式で与 X_られる。

φ = atarn,r/L)

ここで、 φが小さいとき、 L fとなる関係を用いた。

[0013] 例えば、インテグレータ 4の外接円半径 r= 10. 6mm、コリメーシヨンレンズ 5の焦点距離 f = 200mmのとき、平行度角 φ = 3. 04° であり、インテグレータ 4の外接円半径 r= 10. 6mm、コリメーシヨンレンズ 5の焦点距離 f = 320mmのとき、平行度角 φ = 1. 90° であった。つまり、コリメーシヨンレンズ 5の焦点距離 fを 200mmから 320m mに増加させることにより、実測平行度角 φを 3. 0° 力 1. 9° に改善することができた。このこと力、ら、高平行度光を得るためには、コリメーシヨンレンズ 5の長焦点化が有効であることが分かる。下記に示す表は、図 2〜図 4に示す光学構造において、インテグレータ 4の出射角 Θ 2、インテグレータ 4から見たコリメーシヨンレンズ 5の見込み角度を Θ X、及びコリメーシヨンレンズ 5の焦点距離 fを変化させたときの、コリメーシヨンレンズ 5から出射される光の平行度角、及び照射面 6における照度を示すものである。なお、見込み角度 θ Xは、 θ X= 2 X atan (D/2f)で示され、インテグレータ 4の入射角 θ 1は!/、ずれも 27° である。

[表 1]

対応図出射角見込み角度焦点距離平行度角照度（mW/ c I n ² ) 図 3 2 7。 3 5 ° 2 0 0 mm 3 . 0 4 ° 1 0 0

図 3 2 7 ° 3 0 ° 2 5 0 mm 2 . 4 3 ° 6 7

図 4 2 7 ° 2 3 ° 3 2 0 mm 1 . 9 0 ° 3 9

図 2 1 7 ° 2 0 ° 3 2 0 mm 1 . 9 0 ° 9 7

[0015] 上表に示すように、図 3及び図 4に示す従来の光学構造においては、インテグレータ 4の出射角 Θ 2を 27° と入射角 θ 1と等しく固定した場合、焦点距離 fが 200mm、 250mm, 320mmと増カロさせるにつれて、平 fi度角は 3. 04° 、 2. 43° 、1. 90° と改善される力照度は 100mW/cm²、 67mW/cm²、 39mW/cm²と減少することが分かる。このように、出射角 Θ 2が 27° と大きいと、比較的短焦点のコリメーシヨンレンズ 5でないと、照度は 100mW/cm²という、所望の高照度を得ることができないということが分かる。

即ち、図 4に示す光学構造においては、平行度角が 1. 90° という高平行度を得るためにコリメ一シヨンレンズ 5の焦点距離 fを 320mmと大きくすれば、照度が 39mW /cm²と低照度になってしまい、逆に、図 3に示す光学構造において、照度を 100m W/cm²に維持するためにコリメーシヨンレンズ 5の焦点距離 fを 200mmと小さくすれば、平行度角は 3. 04° に低下してしまう。

[0016] これに対して、上記の問題を解決するために、図 2に示す本発明の光学構造においては、インテグレータ 4の出射角 Θ 2を、インテグレータ 4中心から見たコリメーシヨンレンズ 5の見込み角度 θ Xより小さくなるように構成する。このように構成することにより、 1. 90° という高平行度を得るためにコリメ一シヨンレンズ 5の焦点距離 fを 320mm と大きくしても、照度は 97mW/cm²となり、図 3に示した光学構造における最大照度 lOOmW/cm²とほぼ同水準の照度が得られる。

ソーラシミュレータ 5に要求される他の特性は、照射面 6における照度の高均一化である。高均一性を得るためには、例えば、直径が 5mm以下である複数の微小インテグレータの集合体であって、この集合体の外接円半径 rが 10. 6mmのインテグレータ 4を用いることによって実現すること力 Sできる。

コリメーシヨンレンズ 5の焦点距離 320mm、照射面 6における有効照射面積を 60m m角としたときの、インテグレータ 4の細分化の効果を 9本と 25本の集合本数について実測した結果、 3 X 3 (9本組）のインテグレータ 4を用いて照射面 6における均一度は ± 4. 5%、 5 X 5 (25本組）のインテグレータ 4を用いて照射面 6における均一度は ± 1. 5%であった。この実測結果に示すように、インテグレータ 4を 9本から 25本に細分化することにより、照度の均一度が 3倍改善された。

Claims

請求の範囲

[1] 光源から放射された光をインテグレータに入射し、該インテグレータから出射された光をコリメーシヨンレンズに入射し、該コリメーシヨンレンズから平行光を出射させるソ一ラシミュレータにおいて、

前記インテグレータの外接円半径を r、前記平行光の平行度角を φ、前記コリメ一シヨンレンズの焦点距離を f = r/tan φとするとき、前記平行度角 φが 2. 5° 未満となるように前記焦点距離 fを選択し、前記インテグレータから出射される光の出射角を Θ、前記コリメーシヨンレンズの直径を D、前記インテグレータから見た前記コリメーションレンズの見込み角度6 = 2 &1&1 (0/2 とするとき、前記出射角 Θを前記見込み角度 Θ Xより小さくしたことを特徴とするソーラシミュレータ。

[2] 前記インテグレータは、一辺が 5mm以下の複数本の微小インテグレータの集合体で構成され、前記インテグレータの外接円半径 rが 10. 6mm以下であることを特徴とする請求項 1に記載のソーラシミュレータ。